TY  - THES
A1  - Füssel, Hans-Martin
T1  - Impacts analysis for inverse integrated assessments of climate change
N2  - Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Anwendung des Klimawirkungsmoduls des ICLIPS-Modells, eines integrierten Modells des Klimawandels ('Integrated Assessment'-Modell). Vorangestellt ist eine Diskussion des gesellschaftspolitischen Kontexts, in dem modellbasiertes 'Integrated Assessment' stattfindet, aus der wichtige Anforderungen an die Spezifikation des Klimawirkungsmoduls abgeleitet werden.   Das 'Integrated Assessment' des Klimawandels umfasst eine weiten Bereich von Aktivitäten zur wissenschaftsbasierten Unterstützung klimapolitischer Entscheidungen. Hierbei wird eine Vielzahl von Ansätzen verfolgt, um politikrelevante Informationen über die erwarteten Auswirkungen des Klimawandels zu berücksichtigen. Wichtige Herausforderungen in diesem Bereich sind die große Bandbreite der relevanten räumlichen und zeitlichen Skalen, die multifaktorielle Verursachung vieler 'Klimafolgen', erhebliche wissenschaftliche Unsicherheiten sowie die Mehrdeutigkeit unvermeidlicher Werturteile. Die Entwicklung eines hierarchischen Konzeptmodells erlaubt die Strukturierung der verschiedenen Ansätze sowie die Darstellung eines mehrstufigen Entwicklungsprozesses, der sich in der Praxis und der zu Grunde liegenden Theorie von Studien zur Vulnerabilität hinsichtlich des Klimawandels wiederspiegelt.   'Integrated Assessment'-Modelle des Klimawandels sind wissenschaftliche Werkzeuge, welche eine vereinfachte Beschreibung des gekoppelten Mensch-Klima-Systems enthalten. Die wichtigsten entscheidungstheoretischen Ansätze im Bereich des modellbasierten 'Integrated Assessment' werden im Hinblick auf ihre Fähigkeit zur adäquaten Darstellung klimapolitischer Entscheidungsprobleme bewertet. Dabei stellt der 'Leitplankenansatz' eine 'inverse' Herangehensweise zur Unterstützung klimapolitischer Entscheidungen dar, bei der versucht wird, die Gesamtheit der klimapolitischen Strategien zu bestimmen, die mit einer Reihe von zuvor normativ bestimmten Mindestkriterien (den sogenannten 'Leitplanken') verträglich sind. Dieser Ansatz verbindet bis zu einem gewissen Grad die wissenschaftliche Strenge und Objektivität simulationsbasierter Ansätze mit der Fähigkeit von Optimierungsansätzen, die Gesamtheit aller Entscheidungsoptionen zu berücksichtigen. Das ICLIPS-Modell ist das erste 'Integrated Assessment'-Modell des Klimawandels, welches den Leitplankenansatz implementiert.   Die Darstellung von Klimafolgen ist eine wichtige Herausforderung für 'Integrated Assessment'-Modelle des Klimawandels. Eine Betrachtung bestehender 'Integrated Assessment'-Modelle offenbart große Unterschiede in der Berücksichtigung verschiedener vom Klimawandel betroffenen Sektoren, in der Wahl des bzw. der Indikatoren zur Darstellung von Klimafolgen, in der Berücksichtigung nicht-klimatischer Entwicklungen einschließlich gezielter Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel, in der Behandlung von Unsicherheiten und in der Berücksichtigung von 'singulären' Ereignissen. 'Integrated Assessment'-Modelle, die auf einem Inversansatz beruhen, stellen besondere Anforderungen an die Darstellung von Klimafolgen. Einerseits muss der Detaillierungsgrad hinreichend sein, um Leitplanken für Klimafolgen sinnvoll definieren zu können; andererseits muss die Darstellung effizient genug sein, um die Gesamtheit der möglichen klimapolitischen Strategien erkunden zu können. Großräumige Singularitäten können häufig durch vereinfachte dynamische Modelle abgebildet werden. Diese Methode ist jedoch weniger geeignet für reguläre Klimafolgen, bei denen die Bestimmung relevanter Ergebnisse in der Regel die Berücksichtigung der Heterogenität von klimatischen, naturräumlichen und sozialen Faktoren auf der lokalen oder regionalen Ebene erfordert.   Klimawirkungsfunktionen stellen sich als die geeignetste Darstellung regulärer Klimafolgen im ICLIPS-Modell heraus. Eine Klimawirkungsfunktion beschreibt in aggregierter Form die Reaktion eines klimasensitiven Systems, wie sie von einem geographisch expliziten Klimawirkungsmodell für eine repräsentative Teilmenge möglicher zukünftiger Entwicklungen simuliert wurde. Die in dieser Arbeit vorgestellten Klimawirkungsfunktionen nutzen die globale Mitteltemperatur sowie die atmosphärische CO2-Konzentration als Prädiktoren für global und regional aggregierte Auswirkungen des Klimawandels auf natürliche Ökosysteme, die landwirtschaftliche Produktion und die Wasserverfügbarkeit. Die Anwendung einer 'Musterskalierungstechnik' ermöglicht hierbei die Berücksichtigung der regionalen und saisonalen Muster des Klimaänderungssignals aus allgemeinen Zirkulationsmodellen, ohne die Effizienz der dynamischen Modellkomponenten zu beeinträchtigen.   Bemühungen zur quantitativen Abschätzung zukünftiger Klimafolgen sehen sich bei der Wahl geeigneter Indikatoren in der Regel einem Zielkonflikt zwischen der Relevanz eines Indikators für Entscheidungsträger und der Zuverlässigkeit, mit der dieser bestimmt werden kann, gegenüber. Eine Reihe von nichtmonetären Indikatoren zur aggregierten Darstellung von Klimafolgen in Klimawirkungsfunktionen wird präsentiert, welche eine Balance zwischen diesen beiden Zielen anstreben und gleichzeitig die Beschränkungen berücksichtigen, die sich aus anderen Komponenten des ICLIPS-Modells ergeben. Klimawirkungsfunktionen werden durch verschiedene Typen von Diagrammen visualisiert, welche jeweils unterschiedliche Perspektiven auf die Ergebnismenge der Klimawirkungssimulationen erlauben.  Die schiere Anzahl von Klimawirkungsfunktionen verhindert ihre umfassende Darstellung in dieser Arbeit. Ausgewählte Ergebnisse zu Veränderungen in der räumlichen Ausdehnung von Biomen, im landwirtschaftlichen Potential verschiedener Länder und in der Wasserverfügbarkeit in mehreren großen Einzugsgebieten werden diskutiert. Die Gesamtheit der Klimawirkungsfunktionen wird zugänglich gemacht durch das 'ICLIPS Impacts Tool', eine graphische Benutzeroberfläche, die einen bequemen Zugriff auf über 100.000 Klimawirkungsdiagramme ermöglicht. Die technischen Aspekte der Software sowie die zugehörige Datenbasis wird beschrieben.   Die wichtigste Anwendung von Klimawirkungsfunktionen ist im 'Inversmodus', wo sie genutzt werden, um Leitplanken zur Begrenzung von Klimafolgen in gleichzeitige Randbedingungen für Variablen aus dem optimierenden ICLIPS-Klima-Weltwirtschafts-Modell zu übersetzen. Diese Übersetzung wird ermöglicht durch Algorithmen zur Bestimmung von Mengen erreichbarer Klimazustände ('reachable climate domains') sowie zur parametrisierten Approximation zulässiger Klimafenster ('admissible climate windows'), die aus Klimawirkungsfunktionen abgeleitet werden. Der umfassende Bestand an Klimawirkungsfunktionen zusammen mit diesen Algorithmen ermöglicht es dem integrierten ICLIPS-Modell, in flexibler Weise diejenigen klimapolitischen Strategien zu bestimmen, welche bestimmte in biophysikalischen Einheiten ausgedrückte Begrenzungen von Klimafolgen explizit berücksichtigen. Diese Möglichkeit bietet kein anderes intertemporal optimierendes 'Integrated Assessment'-Modell. Eine Leitplankenanalyse mit dem integrierten ICLIPS-Modell unter Anwendung ausgewählter Klimawirkungsfunktionen für Veränderungen natürlicher Ökosysteme wird beschrieben. In dieser Analyse werden so genannte 'notwendige Emissionskorridore' berechnet, die vorgegebene Beschränkungen hinsichtlich der maximal zulässigen globalen Vegetationsveränderungen und der regionalen Klimaschutzkosten berücksichtigen. Dies geschieht sowohl für eine 'Standardkombination' der drei gewählten Kriterien als auch für deren systematische Variation.   Eine abschließende Diskussion aktueller Entwicklungen in der 'Integrated Assessment'-Modellierung stellt diese Arbeit mit anderen einschlägigen Bemühungen in Beziehung.
N2  - This thesis describes the development and application of the impacts module of the ICLIPS model, a global integrated assessment model of climate change. The presentation of the technical aspects of this model component is preceded by a discussion of the sociopolitical context for model-based integrated assessments, which defines important requirements for the specification of the model.  Integrated assessment of climate change comprises a broad range of scientific efforts to support the decision-making about objectives and measures for climate policy, whereby many different approaches have been followed to provide policy-relevant information about climate impacts. Major challenges in this context are the large diversity of the relevant spatial and temporal scales, the multifactorial causation of many climate impacts', considerable scientific uncertainties, and the ambiguity associated with unavoidable normative evaluations. A hierarchical framework is presented for structuring climate impact assessments that reflects the evolution of their practice and of the underlying theory.  Integrated assessment models of climate change (IAMs) are scientific tools that contain simplified representations of the relevant components of the coupled society-climate system. The major decision-analytical frameworks for IAMs are evaluated according to their ability to address important aspects of the pertinent social decision problem. The guardrail approach is presented as an inverse' framework for climate change decision support, which aims to identify the whole set of policy strategies that are compatible with a set of normatively specified constraints (guardrails'). This approach combines, to a certain degree, the scientific rigour and objectivity typical of predictive approaches with the ability to consider virtually all decision options that is at the core of optimization approaches. The ICLIPS model is described as the first IAM that implements the guardrail approach.  The representation of climate impacts is a key concern in any IAM. A review of existing IAMs reveals large differences in the coverage of impact sectors, in the choice of the impact numeraire(s), in the consideration of non-climatic developments, including purposeful adaptation, in the handling of uncertainty, and in the inclusion of singular events. IAMs based on an inverse approach impose specific requirements to the representation of climate impacts. This representation needs to combine a level of detail and reliability that is sufficient for the specification of impact guardrails with the conciseness and efficiency that allows for an exploration of the complete domain of plausible climate protection strategies. Large-scale singular events can often be represented by dynamic reduced-form models. This approach, however, is less appropriate for regular impacts where the determination of policy-relevant results generally needs to consider the heterogeneity of climatic, environmental, and socioeconomic factors at the local or regional scale.  Climate impact response functions (CIRFs) are identified as the most suitable reduced-form representation of regular climate impacts in the ICLIPS model. A CIRF depicts the aggregated response of a climate-sensitive system or sector as simulated by a spatially explicit sectoral impact model for a representative subset of plausible futures. In the CIRFs presented here, global mean temperature and atmospheric CO2 concentration are used as predictors for global and regional impacts on natural vegetation, agricultural crop production, and water availability. Application of a pattern scaling technique makes it possible to consider the regional and seasonal patterns in the climate anomalies simulated by several general circulation models while ensuring the efficiency of the dynamic model components.  Efforts to provide quantitative estimates of future climate impacts generally face a trade-off between the relevance of an indicator for stakeholders and the exactness with which it can be determined. A number of non-monetary aggregated impact indicators for the CIRFs is presented, which aim to strike the balance between these two conflicting goals while taking into account additional constraints of the ICLIPS modelling framework. Various types of impact diagrams are used for the visualization of CIRFs, each of which provides a different perspective on the impact result space.  The sheer number of CIRFs computed for the ICLIPS model precludes their comprehensive presentation in this thesis. Selected results referring to changes in the distribution of biomes in different biogeographical regions, in the agricultural potential of various countries, and in the water availability in selected major catchments are discussed. The full set of CIRFs is accessible via the ICLIPS Impacts Tool, a graphical user interface that provides convenient access to more than 100,000 impact diagrams developed for the ICLIPS model. The technical aspects of the software are described as well as the accompanying database of CIRFs.  The most important application of CIRFs is in inverse' mode, where they are used to translate impact guardrails into simultaneous constraints for variables from the optimizing ICLIPS climate-economy model. This translation is facilitated by algorithms for the computation of reachable climate domains and for the parameterized approximation of admissible climate windows derived from CIRFs. The comprehensive set of CIRFs, together with these algorithms, enables the ICLIPS model to flexibly explore sets of climate policy strategies that explicitly comply with impact guardrails specified in biophysical units. This feature is not found in any other intertemporally optimizing IAM. A guardrail analysis with the integrated ICLIPS model is described that applies selected CIRFs for ecosystem changes. So-called necessary carbon emission corridors' are determined for a default choice of normative constraints that limit global vegetation impacts as well as regional mitigation costs, and for systematic variations of these constraints.  A brief discussion of recent developments in integrated assessment modelling of climate change connects the work presented here with related efforts.
KW  - Klimawandel
KW  - Klimafolgen
KW  - Integrierte Bewertung
KW  - Leitplankenansatz
KW  - Fensteransatz
KW  - Inversanalyse
KW  - Klimawirkungsfunktionen
KW  - Musterskalierung
KW  - ICLIPS
KW  - Climate change
KW  - climate impacts
KW  - integrated assessment
KW  - guardrail approach
KW  - tolerable windows approach
KW  - inverse analysis
KW  - climate impact response func
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001089
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Yuan, Xiaoping
A1  - Braun, Jean
A1  - Guerit, Laure
A1  - Simon, Brendan
A1  - Bovy, Benoît
A1  - Rouby, Delphine
A1  - Robin, Cécile
A1  - Jiao, R.
T1  - Linking continental erosion to marine sediment transport and deposition: A new implicit and O(N) method for inverse analysis
JF  - Earth & planetary science letters
N2  - The marine sedimentary record contains unique information about the history of erosion, uplift and climate of the adjacent continent. Inverting this record has been the purpose of many numerical studies. However, limited attention has been given to linking continental erosion to marine sediment transport and deposition in large-scale surface process evolution models. Here we present a new numerical method for marine sediment transport and deposition that is directly coupled to a landscape evolution algorithm solving for the continental fluvial and hillslope erosion equations using implicit and O(N) algorithms. The new method takes into account the sorting of grain sizes (e.g., silt and sand) in the marine domain using a non-linear multiple grain-size diffusion equation and assumes that the sediment flux exported from the continental domain is proportional to the bathymetric slope. Specific transport coefficients and compaction factors are assumed for the two different grain sizes to simulate the stratigraphic architecture. The resulting set of equations is solved using an efficient (O(N) and implicit) algorithm. It can thus be used to invert stratigraphic geometries using a Bayesian approach that requires a large number of simulations. This new method is used to invert the sedimentary geometry of a natural example, the Ogooue Delta (Gabon), over the last similar to 5 Myr. The objective is to unravel the set of erosional histories of the adjacent continental domain compatible with the observed geometry of the offshore delta. For this, we use a Bayesian inversion scheme in which the misfit function is constructed by comparing four geometrical parameters between the natural and the simulated delta: the volume of sediments stored in the delta, the surface slope, the initial and the final shelf lengths. We find that the best-fit values of the transport coefficients for silt in the marine domain are in the range of 300 - 500 m(2)/yr, in agreement with previous studies on offshore diffusion. We also show that, in order to fit the sedimentary geometry, erosion rate on the continental domain must have increased by a factor of 6 to 8 since 5.3 Ma. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved.
KW  - river erosion
KW  - sediment-transport model
KW  - efficient method
KW  - inverse analysis
KW  - the Ogooue Delta
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.115728
SN  - 0012-821X
SN  - 1385-013X
VL  - 524
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Buljak, Vladimir
A1  - Oesch, Tyler
A1  - Bruno, Giovanni
T1  - Simulating Fiber-Reinforced Concrete Mechanical Performance Using CT-Based Fiber Orientation Data
JF  - Materials
N2  - The main hindrance to realistic models of fiber-reinforced concrete (FRC) is the local materials property variation, which does not yet reliably allow simulations at the structural level. The idea presented in this paper makes use of an existing constitutive model, but resolves the problem of localized material variation through X-ray computed tomography (CT)-based pre-processing. First, a three-point bending test of a notched beam is considered, where pre-test fiber orientations are measured using CT. A numerical model is then built with the zone subjected to progressive damage, modeled using an orthotropic damage model. To each of the finite elements within this zone, a local coordinate system is assigned, with its longitudinal direction defined by local fiber orientations. Second, the parameters of the constitutive damage model are determined through inverse analysis using load-displacement data obtained from the test. These parameters are considered to clearly explain the material behavior for any arbitrary external action and fiber orientation, for the same geometrical properties and volumetric ratio of fibers. Third, the effectiveness of the resulting model is demonstrated using a second, control experiment. The results of the control experiment analyzed in this research compare well with the model results. The ultimate strength was predicted with an error of about 6%, while the work-of-load was predicted within 4%. It demonstrates the potential of this method for accurately predicting the mechanical performance of FRC components.
KW  - Fiber-reinforced concrete
KW  - X-ray computed tomography (CT)
KW  - anisotropic fiber orientation
KW  - inverse analysis
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.3390/ma12050717
SN  - 1996-1944
VL  - 12
IS  - 5
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Yuan, Xiaoping P.
A1  - Jiao, Ruohong
A1  - Dupont-Nivet, Guillaume
A1  - Shen, Xiaoming
T1  - Southeastern Tibetan Plateau growth revealed by inverse analysis of landscape evolution model
JF  - Geophysical research letters
N2  - The Cenozoic history of the Tibetan Plateau topography is critical for understanding the evolution of the Indian-Eurasian collision, climate, and biodiversity. However, the long-term growth and landscape evolution of the Tibetan Plateau remain ambiguous, it remains unclear if plateau uplift occurred soon after the India-Asia collision in the Paleogene (similar to 50-25 Ma) or later in the Neogene (similar to 20-5 Ma). Here, we reproduce the uplift history of the southeastern Tibetan Plateau using a 2D landscape evolution model, which simultaneously solves fluvial erosion and sediment transport processes in the drainage basins of the Three Rivers region (Yangtze, Mekong, and Salween Rivers). Our model was optimized through a formal inverse analysis with 20,000 forward simulations, which aims to reconcile the transient states of the present-day river profiles. The results, compared to existing paleoelevation and thermochronologic data, suggest initially low elevations (similar to 300-500 m) during the Paleogene, followed by a gradual southeastward propagation of topographic uplift of the plateau margin.
KW  - Tibetan Plateau
KW  - landscape evolution
KW  - fluvial erosion
KW  - inverse analysis
KW  - mountain growth
KW  - propagating uplift
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1029/2021GL097623
SN  - 0094-8276
SN  - 1944-8007
VL  - 49
IS  - 10
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  -